磷素活化剂研究进展
土 壤 通 报Vol.38,No.2第38卷第2期
Apr.,2007
ChineseJournalofSoilScience2007年4月
磷素活化剂研究进展
邱兰兰
1,2
,石元亮
1
(中国科学院沈阳应用生态所,辽宁沈阳110016;21中国科学院研究生院,北京100049)
摘 要:磷素活化剂能有效的提高磷素利用率,减少磷肥施用量,缓解磷资源不足的矛盾,具有远大的发展前景。本文总结了磷素活化剂的研究现状及其作用效果,提出其发展和应用中存在的问题,并展望了今后的研究方向。
关 键 词:磷素活化剂;研究进展;释放;植物有效性;磷肥利用率
中图分类号:S14519 文献标识码:A 文章编号:056423945(2007)0220389205
磷是植物生长发育的必需营养元素之一,又是不可再生的资源,世界磷矿资源有限。据估计,全世界磷
矿储量约60亿t(P),按目前的开采速度,只能维持50年。由于土壤特定的理化性质和磷酸盐的化学行为,磷的当季利用率一般只有10%～25%,绝大多数磷肥
[1]
以无效态存在于土壤中。如果将其利用率提高10个百分点,每年就可以为国家节省约13亿元,这个数
[2]
字是相当可观的。磷肥的低利用率不仅造成了直接的经济损失,良的后果。因此,残余的磷,,它不仅对改善,而且对减少磷肥施用量,缓解磷资源不足的矛盾具有长远的历史意义。
分的竞争吸附作用
[3～6]
。Negarajah(1968)等研究了有
机酸和磷在三水铝石,针铁矿表面的竞争吸附与解吸,
[7]
发现有机酸的存在能减少土壤对磷的吸附。进入20世纪70年代,日本等国开始了对腐殖酸的研究,Adhikari(1971)8]
酸,。日本1979年;～[9]
。此外,人们还曾在磷肥、邻-联苯二酚衍生物、异丁叉二脲等有机物制成缓效磷肥,取得了一定的成效,但由于成本及技术等原因,未能广泛应用。1.3 效果研究阶段(1980～1995)
以前的人们往往是针对无意中发现的现象进行研究,而真正磷素活化剂的研究则起始于20世纪80年代。1984年,苏联和东欧国家开始磷细菌剂和真菌剂的研究,施用在土壤上能明显促进土壤中残余磷的释放,提高植物对磷的吸收。有研究发现,FYM和植物残体(小麦秸秆,玉米秸秆等)等有机肥能大大提高磷肥利用率,增产效果显著,而且有机肥+磷矿粉施用于
[10]
土壤,其效果甚至优于过磷酸钙和钙镁磷肥。试验证实,沸石能提高磷肥利用率,培肥土壤,增加肥效,沸石不同饱和离子交换体如H-沸石、Na-沸石、K-沸石、NH4-沸石等活化磷矿粉的效果都较好,其中以NH4-沸石效果最佳。有研究发现,生长在石灰性土壤上的白羽扇豆,缺磷时能分泌大量的柠檬酸;在酸性缺磷土壤上,木豆和萝卜的根系能分泌大量的番石榴酸、甲氧苄基石酸和酒石酸。即:缺磷胁迫条件下,植物具有自我调节作用,这对于后来提出以低分子量有机酸作为磷素活化剂具有重要的现实指导意义。
[14～15]
[11～13][2]
1 磷素活化剂研究情况
1.1 磷素活化剂种类
目前,已进行研究的磷素活化剂主要有以下类型:第一是酸性有机物质,如低分子量有机酸(柠檬酸、酒石酸等),高分子有机酸(腐殖酸、木质素等);第二是活体生物类,如解磷菌、VAM菌等;第三是复杂有机物质,如有机肥、造纸造糖等工矿有机废弃物等;第四是激素类,如ABT生根粉,一些生长类激素;第五是高表面积与高表面活性物质,如沸石粉、粉煤灰等;第六是络合物类,如EDTA。此外,人们也曾对无机酸进行过研究,但由于其对土壤的毒害作用而没有大量应用。1.2 现象研究阶段
80年以前,对于提高磷素活性的研究就有报道,但多集中在国外,国内研究相对较少,且研究重点在磷和其它营养元素(氮、钾、锌、硫、锰、硅)的平衡施肥方面。早在50年代,国外就有人研究有机酸与阴离子养
收稿日期:2006203211;修订日期:2006204204基金项目:2004BA520A09-4-4
作者简介:邱兰兰(1982-),女,山东省阳信县人,在读硕士研究生,主要从事磷素活化剂研究。
390土 壤 通 报 38卷
1.4 影响因素和作用机理研究阶段(1995-)
随着农业的发展,人们环保意识的提高,已有越来
越多的人投入到磷素活化剂的研究工作,研究强度逐渐加大,范围也愈见广泛。以前的研究主要是强调某种磷素活化剂能活化土壤中的磷素,而现在的研究则强调不同条件下,同种活化剂的不同类型或者不同量对土壤磷的活化作用及其为什么会发生这种作用。1.4.1 影响因素的研究 研究证明,风化煤、泥炭、膨润土等腐殖酸类物质都具有很强的释磷效果,但三者作用强度不同,风化煤>膨润土>泥炭。有机肥在不同的土壤水分状况下能分解出不同种类和数量的有机酸,他们对不同形态磷的活化作用不同,一般而言,
[17]
活性效果分别为猪粪>稻草>纤维素。腐植酸类肥料在温度大于18℃时施用效果较好,高于38℃时应停止施用或减少施用次数及用量。Parker等研究发现,柠檬酸在pH7以下、草酸在pH6以下、苹果酸在
3+
pH4以下才能与Fe形成稳定的络合物,起到较好的
[19]
活化作用。大小为草酸≥柠檬酸>>>P.Bhattacharyya[21]
化效果。1.4.2 作用机理的研究 生物磷素活化剂是利用微生物分泌的有机酸,一方面降低土壤pH值,另一方面与土壤中被固定的磷素形成可溶的络合物或螯合物,
[22]
从而提高磷的有效性。真菌类物质可以通过与作物共生,相对延伸根系的吸收面积,来达到增大根系吸收能力、促进磷活化、提高磷肥利用率的目的。NH4-沸石由于结构内部多空洞和孔道,具有较强的离子交
[23]
换和吸附功能。有机肥的腐解产物-碳水化合物
[24]
和纤维素掩盖了粘土矿物的吸附位。膨润土与磷矿石混合接触,在一定水分和温度条件下,磷矿粉中的钙离子被代换吸附填充在膨润土的晶层间隙,使其周围出现一个低钙环境,促进磷素的吸收。腐植酸结构上带有-OH,-COOH,-CHO等活性基团,可影响土壤的理化性质,提高微生物的活性,刺激作物根系的
[26]
发育,促进对磷的吸收。1.4.3 新物质的利用 废液资源化是治理污染的行之有效的途径,目前研究发现,木浆造纸黑液能有效的
[27～28]
活化磷矿粉。ProsenjitRoy等把有机肥+磷细菌剂按一定比例配合施用,效果比单施更明显,其中以玉
[29]
米秸秆+解磷菌Bacilluspolymyxa效果最佳。有研究认为,许多植物的根系细胞壁中存在着与磷溶解有
[25]
[[18]
[16]
关的活性物质,落花生在低磷条件下能够比高梁等植
[30]
物生长的更好正是这种活性物质作用的结果。粉煤灰对不同性质土壤中的磷也具有明显的活化作用,
[31]
有效磷的提高率在13.59%～22.51%之间。一些微量元素也能影响磷的有效性,玄武岩砖红壤中的铁、锰便与磷关系密切,在还原条件下,锰对磷的固定作用
[25]
大,而硅可促进磷的释放。刘世亮等研究结果表明,ABT生根粉浸种能显著增加小麦的根量和植株吸P量,显著提高作物对P肥的利用率,但对土壤全量P
[32]
无明显影响。有机磷素活化剂(造纸废液提取物)对磷矿石有很好的活化效果,有结果表明,将有机磷素活化剂+磷矿石配合施用在柚树上,其各个生育期的养分状况比单施过磷酸钙和钙镁磷肥的效果好,可代
[33]
替钙镁磷肥施用。将高分子有机化合物与磷矿粉混合制成的活性磷矿粉,[34]
。甘肃农[35]
。
2 磷素活化剂作用效果
2.1 改善土壤理化性质
施用有机肥料能增加土壤中的有机胶体,把土壤颗粒胶结起来,变成稳定的团粒结构,改善了土壤的物理、化学和生物特性,提高土壤保水、保肥和透气性能,为植物生长创造良好的土壤环境。粉煤灰含有许多未完全燃烧的碳和对作物有益的元素,可以明显的改善土壤的理化性质,促进土壤微生物活性。有机酸能通过微生物的作用,消除土壤的板结,促进团粒结构的恢复,提高土壤的肥力及可持续性,还能够活化土壤中的微量元素,缓解Al的毒害。2.2 提高磷肥利用率
盆栽试验显示,在等养分量条件下,加入添加剂的
[36]
改性磷肥的肥效都较过磷酸钙有较大幅度的增加。
μmol的柠檬酸培养一段时在每克土中加入10、20、50间后,灰壤、淋溶土和氧化土中有效磷的含量明显提
高,甚至在培养90d后对土壤磷的活化作用仍十分显[37][24]
著。有机肥对磷酸铁的活化率可高达30%。与其他肥料相比,腐殖酸类肥料,兼备了无机肥料的速效性和有机肥料的持久性的特点,且投资少,收效快,活
[38]
化磷能达10%左右。
磷素有效性主要取决于土壤中无机磷的形态,因而提高磷肥利用率的一个根本措施就是促进土壤中磷素由难溶态转变为易溶态。候宪文等研究腐殖酸对土
2期 邱兰兰等:磷素活化剂研究进展391
壤磷形态的影响时发现,风化煤和糠醛渣减少无效的Ca10-P为10%～13%;而对有效性较高的Ca2-P、Ca8-P、Al-P都有一定的增加,其中Ca2-P增加了29%～32%,Al-P增加了23%～25%;O-P、Fe-P略有减少。2.3 释放土壤中残余的无效磷
Bupohhmhr曾在土壤中加入N-P-K复肥和腐殖酸钠,然后在不同时间测定土壤中可溶磷含量,结果发现在不加腐殖酸钠的土壤中,可溶磷仅占总加磷量的55%,而在加入腐殖酸钠的土壤中,可溶磷增加到
[2]
114%,可见腐植酸钠释放了土壤中原有的磷素。关于NH4-饱和斜发沸石交换体重新释放石灰性土壤中土壤累积的难溶性磷的研究,结果表明,NH4-沸石具有很强的释磷作用,溶解磷灰石和土壤难溶性磷的能力是对照的4.87～12.86倍,土壤有效磷含量增长
[40]
6.4%～46.3%。2.4 促进作物生长,提高作物产量,改善作物品质
,有效分蘖和千粒重,5～6d,]
[39]
先,农业生产要求以最低的成本达到最高的肥料利用率,如何减少肥料投入量就自然成了研究的焦点,对于利用率最低的肥料--磷肥就成了重点。早期肥料工作者通过磷肥改性在提高利用率上已起到很大的作用,使磷肥由骨料、磷矿粉过磷酸钙重过磷酸钙磷酸一铵磷酸二铵,到目前已达到最大的可溶性。如何进一步提高利用率就需另觅途径。肥料的大量投入造成土壤中磷的累积,使活化磷成为可能和必要的,这是开展磷活化剂研究的先决条件。但是由于起步较晚,开展的研究工作不系统,还存在一系列的问题需要进一步研究,归纳起来主要有以下方面:
(1)研究工作不系统,只停留在表面现象。已有的报道资料多集中在应用某种材料能提高有效磷量,或对作物产量有什么影响方面,对于作物机理的研究进行的还很少;
(2)复合作用的研究,,找到综合解决问题的途径;
(3)生物解磷技术局限性较大。到目前为止,研究提出的解磷菌都是单一菌种,因此在应用中受环境条件影响较大,效果不稳定;
(4)缺乏活化的实用技术研究。我国目前涉及到的磷素活化剂多集中的研究中,真正用到农业生产中的只有少数的几种,其中生物性的较多,很少有针对区域土壤条件进行实用技术生产的研究;
(5)研究与生产应用脱离。研究大都只是注重结果,而忽略了经济因素和可能引起的一系列环境问题,往往花了大力气却不宜在生产上推广。
,大豆株高、、、干重,大豆无机磷
[]
提高10%左右。研究显示,利用造纸黑液提取的木素对高溶磷肥改性,经14周观察,土壤有效磷含量提高10%～20%,两年田间试验,冬小麦、夏玉米产量分别提高18.5%和14.36%。施用柠檬酸可以明显的提高石灰性土壤磷的释放,提高小麦茎叶含磷量6.2%～26.0%,根部增加7.2%～31.4%,生物量增
[45]
加4.8%～19.3%。李亚娟等研究的高表面活性矿物对玉米苗期地上部生物量的增加幅度能达到过磷酸钙的92.68%～115.86%,土壤有效磷含量比单施磷
[35]
矿粉提高14.36%。2.5 提高磷矿石的溶解性
有研究表明,用VAM菌和解磷菌接种的磷矿石
[46]
可代替磷肥施用。在橄榄块(生产橄榄油的废弃物)上培养曲霉菌属能促进磷矿石的溶解,活化磷矿石中的磷。沸石能显著提高磷矿粉的有效性,在含+[23]
Na较高的盐化潮土上速效磷增加了182.9%。
[47]
[44]
[42]
4 磷素活化剂前景预测
改革开放以来,我国化肥的投入量呈持续增长状态。自20世纪80年代初(1985)到现在的20年间,磷
[46,47]
肥总投入量高到11955万吨,按75%固定积累计算,平均每亩地积累磷量45.97kg。依照现有的生产水平及每年消耗量计算,如果全部活化应用,可以满足10年的生产用磷。如果每年通过应用活化技术使土壤释放的磷能满足作物需求的1/3,则每年可以节省磷肥448.3万吨。磷矿资源的局限性及环境的要求,也需要研究提出实用的磷活化技术,促使有限的磷在农业生产系统中的循环。磷素活化剂正是可以加速磷素循环,提高磷利用率的一项技术措施,因此具有广泛的前景。
作物体内氮占干物质量的1.32%,而磷仅占
3 磷素活化剂研究及应用中存在的问题
磷素活化剂的研究动力主要来自于以下两个方面:第一是研究磷素转化及运移规律的需要。随着人们研究磷素的转化运移及其对环境影响的深入,有必要研究磷素转化的影响因素与实用技术,这就促进了对磷活化材料的研究。第二是农业生产的要求。首
205-208.
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0.16%,氮量是磷的8.22倍,即使是喜磷作物大豆,氮
也是磷的9.05倍
[50]
。可见,在农作物生长中并不需
要过多的磷,但是由于磷素的不易移动与易固定特性,
导致了10年生产中氮磷施肥的比例达1∶0.3～0.5,个别的甚至高达1∶1.3,使磷的投入量远高于需求量。这主要因为磷进入土壤后有效时期过短,被迅速固定而失去有效性。开展磷素活化剂研究,探索控制磷固定及释放土壤中磷以供作物需要是解决环境问题,降低磷投入量,缓解资源不足的一条合理途径。磷素活化剂的研究今后应在已有的工作基础上,加强机理和综合研究。研究热点会逐步转向新材料筛选与复合应用及相应机理研究,会由侧重于生物释磷技术转向化学技术及综合技术发展。经过若干年后,磷肥施用量会有较大幅度的下降,趋于合理。参考文献:
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Research,IYuan-liang
1
(1EcologyShenyang110016,China;21GraduateUniversityofCAS,Beijing100049,China)
Abstract:Phosphorusactivatorcaneffectivelyimprovephosphateutilizationefficiency,anddecreasetheamountofphosphateapplication,thustheprobleminlackofphosphorusresourceswouldbesolvedtosomeextentbyusingtheactivator.Atpresent,manykindsofphosphorusactivatorswereproduced,butitwashardtobeappliedforagriculturalproductiondirectly.Thepapersummarizedthepresentsituationofphosphorusactivatoranditseffect.Someproblemsexistinginthedevelopmentofphosphorusactivatoranditsapplicationwereproposed.Thefutureresearchorientationwasalsodiscussed.
Keywords:Phosphorusactivator;Researchprogress;Release;efficiency
Phytoavailability;
Phosphatefertilizerutilization